人類進入21世紀以來，一門新興的交叉學科“合成生物學”成為國際科學前沿一大熱門。

　　合成生物學，能利用大腸桿菌生產(chǎn)大宗化工材料，擺脫石油原料的束縛；酵母菌生產(chǎn)青蒿酸和稀有人參皂苷，降低成本，促進新藥研發(fā)；工程菌不“誤傷”正常細胞，專一攻擊癌細胞；創(chuàng)制載有人工基因組的“人造細胞”，探究生命進化之路；利用DNA儲存數(shù)據(jù)信息并開發(fā)生物計算機……作為科學界的新生力量，合成生物學進展迅速，并已在化工、能源、材料、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)境和健康等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。

　　探究生命起源演化 　解讀“密碼”改造自然 

　　生命是世界上最復雜的物質(zhì)存在。人類自誕生以來，就在認識生命的漫漫長途中上下求索。從中國古代的《黃帝內(nèi)經(jīng)》和《本草綱目》，到西方近代博物學家對動植物分類，人類對于生命現(xiàn)象的認識，都是從對生命體的“宏觀”觀察、“表觀”描述而獲得的經(jīng)驗型邏輯總結(jié)。另一方面，對于譬如尿素之類的“有機物”，化學家們也認為只能由生物體在一種神秘的“生命力”作用下產(chǎn)生。

　　1828年，德國化學家弗里德里?！ぞS勒無意在無機實驗中合成了尿素，揭開了人工合成有機物的“合成化學”序幕。也就是從19世紀后期到20世紀前半葉，基于數(shù)理化技術(shù)與方法的實驗科學催生了認識生命共同本質(zhì)的細胞生物學、生物化學、遺傳學和發(fā)育生物學，而進化論的誕生，則最先將人類對生命的認識，提升到了理論的高度。

　　20世紀中葉，隨著DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，分子生物學“中心法則”的確立，人類開始找到生命現(xiàn)象的“密碼本”。而生命另一類基本分子，具有生理活性的蛋白質(zhì)牛胰島素一級結(jié)構(gòu)的解析，直接導致了我國科學家于60年代完成其全人工合成，即世界上首次人工合成蛋白質(zhì)。在同一時代，DNA測序技術(shù)的建立，實現(xiàn)了人類“讀基因”的夢想；DNA重組技術(shù)的建立，實現(xiàn)了人類“寫基因”的夢想；再加上在基因定向突變與敲除基礎(chǔ)上的“編基因”夢想的實現(xiàn)，分子生物學及基因工程技術(shù)在上世紀80年代，將生命科學推向了歷史上第一次革命的頂峰。

　　至20世紀末，人類基因組計劃帶來了第二次革命，實現(xiàn)了基因組的全面“解讀”，人類對生物體組成和生命規(guī)律的認識達到了前所未有的系統(tǒng)生物學的深度和定量生物學的精度。2010年，科學家合成約100萬堿基的支原體基因組，并將其轉(zhuǎn)入另一種支原體細胞中，獲得可正常生長和分裂的“人造生命”，實現(xiàn)了“撰寫”基因組的夢想。此后，科學家又合成了非天然核苷酸、非天然氨基酸；并采用“編輯”基因組的手段，創(chuàng)建出人造單染色體真核細胞……人類掌握了“讀”“寫”“編”基因組的技術(shù)手段，獲得了設(shè)計與合成生命的能力，200年前盛行于世的“生命力”學說被完全克服。

　　　什么是合成生物學？

　　有什么樣的認識（科學）和手段（技術(shù)）就有什么樣的工程。古代，通過“嘗百草”檢驗植物藥性，建立中藥體系，通過人工馴化與優(yōu)選，獲取種質(zhì)資源，建立畜牧業(yè)與農(nóng)業(yè)體系，都是利用當時的生物認識和生物技術(shù)，造福人類的典型工程實踐。今天，怎樣利用對生命“密碼本”的認識及對其“編寫”的手段，改造自然、造福人類？21世紀初， 科學家們將工程科學的研究理念融入現(xiàn)代生命科學，發(fā)展出以合成生物學為代表的“會聚”研究，促成了生命科學的第三次革命。

　　合成生物學采用工程學“自下而上”的理念，打破“自然”和“非自然”的界限，從系統(tǒng)表征自然界具有催化調(diào)控等功能的生物大分子，使其成為標準化“元件”，到創(chuàng)建“模塊”“線路”等全新生物部件與細胞“底盤”，構(gòu)建有各類用途的人造生命系統(tǒng)。這一與系統(tǒng)生物學“自上而下”解析理念相反的合成理念，也將我們習以為常的“格物致知”研究策略，推進到了“建物致知”的新高度。這樣，進化過程中“猜測”的祖先物種或分子體系，將可能被合成，并加以定向的詮釋；而被各種“假說”“對照”分割研究的復雜生命現(xiàn)象，也可以實現(xiàn)整合的定量研究，解析因果機制。

　　合成生物學采用工程學“設(shè)計—合成—測試”的研究方法，在學習抽象自然生命系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，或?qū)ψ匀簧锵到y(tǒng)“重編程”，或重頭設(shè)計具有全新特征的人工生命體系；然后，利用“基因編輯”“基因合成”等“工具包”，用實驗方法來構(gòu)建，再對構(gòu)建出來的生物系統(tǒng)進行測試，如此反復循環(huán)優(yōu)化，形成了一個正向可靠的科學閉環(huán)。建筑在如此大規(guī)模通用化工程平臺基礎(chǔ)上的合成生物學，往往也被稱為“工程生物學”，它“建物致用”的工程能力，有望為解決健康、能源、糧食、環(huán)境等重大問題做出新貢獻。

　　　破解資源環(huán)境難題 賦能人類健康事業(yè) 

　　當前，資源短缺、環(huán)境污染、氣候變化等全球問題日益凸顯，合成生物技術(shù)為實現(xiàn)“社會—生態(tài)/環(huán)境—經(jīng)濟”和諧發(fā)展提供了全新解決方案。

　　石油是儲量有限的不可再生資源，遲早有枯竭的一天，這是人類生存發(fā)展必須嚴肅應對的問題。在理論上，絕大多數(shù)石油化學品都能夠借助合成生物學技術(shù)制得，人們還可通過生物合成技術(shù)制造出傳統(tǒng)化工無法合成的新燃料。同時，合成生物學在人工固碳、利用二氧化碳方面取得進展。例如，科學家通過對細菌進行人工優(yōu)化和改造，建造可將大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為酮、醇、酸等化學品的“細胞工廠”，實現(xiàn)二氧化碳等資源的高效綜合利用，推動建立低能耗、低污染、低排放的低碳經(jīng)濟模式。

　　隨著全球人口不斷增長，環(huán)境污染加劇和氣候持續(xù)變化，人類食品和環(huán)境安全面臨巨大挑戰(zhàn)。利用合成生物學技術(shù)，創(chuàng)建適用于食品工業(yè)的細胞工廠，將可再生原料轉(zhuǎn)化為重要食品組分，這被認為是解決食品問題的可行途徑。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，氮肥使用量大幅增加帶來的土壤板結(jié)和酸化等問題，可以通過合成生物學“微生物固氮”技術(shù)得以有效解決。在環(huán)境治理領(lǐng)域，可以通過“定制”微生物去除難降解的有機污染物，也可開發(fā)出人工合成的微生物傳感器，幫助人類監(jiān)測環(huán)境，設(shè)計構(gòu)建能夠識別和富集土壤或水中的鎘、汞、砷等重金屬污染物的微生物，以大幅提升污染治理效能。

　　合成生物學在生命健康領(lǐng)域也有廣闊的用途，不僅能夠用于天然產(chǎn)物等醫(yī)藥產(chǎn)品的生產(chǎn)，還能在疾病研究模型的開發(fā)、生物標志物監(jiān)測、干細胞與再生醫(yī)學等領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。例如，人體腸道內(nèi)具有豐富多樣的微生物，合成生物學為腸道微生物的改造提供了工具：一方面，可以設(shè)計改造對人體有益的細菌，讓它們生產(chǎn)人體自身不能合成的維生素等營養(yǎng)物質(zhì)；另一方面，可以設(shè)計出感知腸道環(huán)境變化的“智能微生物”，對人體內(nèi)的健康狀態(tài)進行檢測和診斷。

　　在抗擊新冠肺炎疫情中，合成生物學技術(shù)發(fā)揮了重要作用，展現(xiàn)了強大應用潛力。例如，利用DNA條形碼技術(shù)改進測序流程、利用基因編輯技術(shù)開發(fā)核酸診斷試劑，提高診斷的準確性和靈敏度。利用合成生物學技術(shù)還可以尋找潛在的小分子藥物、開發(fā)疫苗，以及通過調(diào)節(jié)人體微生物組來激活人體免疫系統(tǒng)，提高人體抗病毒能力。

　　改造生命的目的，是為了更好地認識和調(diào)控生命現(xiàn)象，使之為改善生態(tài)、提高人類生命生活質(zhì)量服務。未來，在人工智能和大數(shù)據(jù)等新技術(shù)推動下，合成生物學將賦予人類更強的“改造自然，利用自然”的能力，當然，同時也會帶來社會倫理與安全等新問題。我們必須在思想上明確該做什么，怎么做才是正確的；在做好風險評估并開發(fā)防控風險的技術(shù)和策略的同時，及時制定相應的研究規(guī)范、倫理指導原則和相應的法律、法規(guī)，并輔以可落實的管理規(guī)章與監(jiān)管辦法。

　　人類數(shù)百萬年對于生命的探索，經(jīng)過最近兩個多世紀的三次革命，才達到了“合成生物學”的高度，形成了工程化的能力。然而，這只是“萬里長征第一步”。用好合成生物學的“利器”，為實現(xiàn)建設(shè)社會主義現(xiàn)代化強國的理想作出貢獻，還需要投入大量心血，提升知識、創(chuàng)新技術(shù)、踏實轉(zhuǎn)化、服務需求。中國科學工作者對此責無旁貸。

　?。ㄗ髡邽橹袊茖W院院士、中國科學院合成生物學重點實驗室專家委員會主任）